稻田株間除草部件工作機理及除草軌跡試驗

牛春亮，王金武

(1.大連海洋大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

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稻田株間除草部件工作機理及除草軌跡試驗

牛春亮1，王金武2

(1.大連海洋大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

稻田雜草對秧苗生長有很大影響，特別是稻田中的稗草，稗草與秧苗嚴重爭奪生長資源，且為雜草的主要種類。稻田行間雜草去除機械較為成熟，株間及靠近秧苗附近雜草去除技術(shù)成為了研究的重點。為此,利用秧苗和稗草的生長初期不同的特點，設(shè)計了一種株間除草盤，該部件以稗草為主要去除對象兼顧其它雜草，并對其除草機理與除草軌跡進行研究。該部件采用旋轉(zhuǎn)工作方式，在配套動力的帶動下前進，除草盤在旋轉(zhuǎn)的過程中深入泥土，將雜草“挑出”或“打掉”，使之根部浮于在水面上或攪動泥土將雜草掩埋，從而完成稻田株間除草作業(yè)。

株間部件；除草機理；稻田；除草軌跡

0 引言

目前，稻田除草的主要方式有人工除草、化學(xué)除草及機械除草等。人工除草的優(yōu)點是經(jīng)濟、安全、無副作用，可以清除苗間和行間雜草；缺點是勞動強度大、效率低、除草效果差，嚴重束縛農(nóng)村勞動生產(chǎn)力[1-2]?；瘜W(xué)除草的優(yōu)點是高效、省時、省力、經(jīng)濟，它的廣泛使用對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展起到了促進作用；缺點是造成環(huán)境污染、生物多樣性減少、雜草群落變遷和雜草抗藥性，影響土壤質(zhì)量和供肥能力。隨著社會對健康食品的需求不斷增加，人們越來越謹慎使用化學(xué)除草藥劑[3-5]。

機械除草的優(yōu)點：①可以消滅雜草和蟲害，雜草莖稈切碎后直接還田，有利于增加肥效。②改善土壤透氣性，加速土壤營養(yǎng)物質(zhì)分解，增加土壤肥力，有利于作物根系吸收。③中耕時翻轉(zhuǎn)土壤，土壤表面氧化層被破壞，肥料進入土壤深處，可控制脫氮，提高肥效。④由于中耕發(fā)生斷根，同時產(chǎn)生對肥料吸收能力強的新根，從而提高肥料的利用率[6-7]。鑒于機械除草具有效率高、效果好、經(jīng)濟環(huán)保的優(yōu)點，已成為除草技術(shù)的發(fā)展方向。美國、加拿大、日本機械對除草技術(shù)研究較早，能較好地去除行間雜草，但株間雜草一直成為研究的重點。本文對于所設(shè)計的一種新型株間除草部件的除草機理和運動進行分析，旨在為株間機械除草技術(shù)提供研究參考[8-9]。

1 株間除草時機的確定

除草時機的選取直接影響綜合的除草效果，移栽稻苗后，在稻苗進行返青到幼穗分化這段時期，稻田一般保持在3cm左右淺溫水層。此時期雜草大量萌生，發(fā)生量大且與稻苗爭水、爭光照，極大地影響水稻的正常生長。根據(jù)研究需要，建立淺水層后的天數(shù)與稗草萌發(fā)率關(guān)系圖譜，如圖1所示。

圖1 建立淺水層后的天數(shù)與稗草萌發(fā)率關(guān)系

據(jù)資料及定點觀察，在水稻移栽的同時，雜草即以發(fā)生，移栽后710天稗草達到萌發(fā)高峰期，出草量占總草量的70%以上。稗草從出苗至1葉期約需6天，12葉期約需4天，23葉期約需5天，共15天。稗草3葉期以后抗藥性增強，除草劑將很難清除；稗草生長15天后，其根可達到10cm，莖葉在20cm以上，此時機械除草效果將大大降低。

在移栽后10天以前除草，對水稻產(chǎn)量影響不大；插秧10天后，每推遲一天，水稻減產(chǎn)約10g/m2，水稻除草越晚，對大米產(chǎn)量影響越大[10-11]。因此，中耕除草應(yīng)趁其雜草弱小、易除時進行除草作業(yè)。對于水田雜草的清除，應(yīng)選擇在移苗后的710天進行，此時為水田雜草的大量萌生時期。為使除草效果較好、雜草危害程度最小，除草應(yīng)盡量采用“除早，除小，除了”的原則。移栽后第7天，水稻秧苗和稗草植株形態(tài)有較大差異：水稻秧苗莖稈粗壯，植株平均高度15cm，根系較粗且多，根深4050mm；稗草莖稈纖細，植株高度3050mm，根系少且纖細，根深1030mm。本文采用在移栽后第7天進行首次除草作業(yè)，移栽后第14天進行第2次除草作業(yè)。

2 除草盤的選型與結(jié)構(gòu)

株間除草部件除草盤的結(jié)構(gòu)形狀直接影響著除草效果，因此設(shè)計除草盤形狀時，要保證對秧苗損傷小且除草效果好。本研究在前期研究試驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種新型株間除草部件-除草盤，該部件由套筒、輪轂、彈齒3部分組成[12-13]，如圖2所示。

1.套筒 2.輪轂 3.彈齒

除草盤采用同時具有圓弧狀和向后傾斜角度除草盤，這種弧形齒結(jié)構(gòu)避免直狀彈齒將雜草或秧苗莖葉纏繞到除草盤上；且由于轉(zhuǎn)動時線性力大，彈齒端部對秧苗的莖葉損傷大，并達到防止纏繞雜草的目的，并減少彈齒對秧苗莖葉損害。

有后傾角的結(jié)構(gòu)可以克服無后傾角的除草盤對秧苗根部損傷，采用與前進速度相反方向的后傾角度β設(shè)計，使除草盤上工作時彈齒不與整個秧苗完全接觸，從而減少對秧苗的損傷，同時增加了除草面積，增大了除草率。除草盤工作位置如圖3和圖4所示。

圖3中，1為秧苗位置，2為除草盤位置，h為除草盤與秧苗根部接觸位置。根據(jù)以上對彈齒盤情況分析，彈齒采用半徑為250mm圓弧設(shè)計，圓弧傾斜方向與旋轉(zhuǎn)反方相反，后傾斜角度為β為30°，材料是直徑為5mm的65Mn彈簧鋼，具有強度高、韌性好的特點，能夠滿足除草作業(yè)強度要求。為保證除草部件在工作時不纏苗，輪轂的周長要大于苗與草高度，且除草盤輪轂中心距離地面應(yīng)有一定高度。

圖4 除草盤與秧苗左視圖

該除草盤具有較好的護苗作用，不僅能減少對秧苗根部的損傷，而且還能減少對秧苗莖葉的損害，同時增加了彈齒有效的除草面積，提高了除草率。

3 除草盤的除草機理

株間除草盤的除草效果和工作方式充分建立在農(nóng)作物生長的農(nóng)學(xué)基礎(chǔ)上，并結(jié)合農(nóng)藝、農(nóng)機及田間作業(yè)環(huán)境條件等綜合因素形成其工作機理[14]。

首先，對秧苗移栽前長勢要求秧苗生長期25天左右，3葉1心至4葉，平均株高13cm左右；秧苗長勢良好，無病、蟲、藥害。移栽時，采用機械插秧按照規(guī)定行距插秧，保證行距和株距。移栽前秧苗長勢及插秧后田間情況，如圖5所示。

根據(jù)前面對于除草時機的分析，第1除草時間是在移栽后第7天左右，此時秧苗根系長勢如圖6所示。

(a) 移栽前單株秧苗長勢

(b) 田間插秧后

圖6 秧苗移栽后第7天根系

稗草在生長初期，外形與水稻基本相似。稗草為須根系，根系發(fā)達，再生能力強，與水稻不同的是其在生長初期單株生長，根系少，根系纖細。圖7為稻苗移栽后第7天稗草生長情況，稗草根系纖細，只有12根，莖稈纖細，植株高度約35cm。由圖6和圖7對比可知：此時稻苗的長勢要優(yōu)于稗草長勢，且根系長度和扎入泥土的深度都強于稗草，故只要控制好除草深度，進行機械除草是可行的。

圖7 稗草生長情況

4 除草盤的除草軌跡試驗分析

進行除草作業(yè)時，株間除草盤必須成對使用，根據(jù)弧形彈齒安裝旋向及焊接位置不同，除草盤分為左旋除草盤和右旋除草盤，根據(jù)試驗時秧苗高度及前期試驗結(jié)果，選取輪轂直徑d1為100mm，厚度5mm。套筒及彈齒、輪轂固連在一起，套筒直徑大于內(nèi)部傳動軸直徑，本研究取直徑d0為60mm。根據(jù)前期試驗，選用除草盤彈齒數(shù)為5個，除草盤直徑D為280mm為宜。每對除草盤安裝使用方式，如圖8所示。

圖8 一對除草盤工作原理圖

除草盤工作時繞垂直于苗行方向轉(zhuǎn)動，左右除草盤同時對一行秧苗進行除草，主要目的是剔除株間的雜草，同時能去除秧苗附近行間雜草。實物安裝狀態(tài)如圖9所示。

(a) 除草盤田間工作狀態(tài)

(b) 除草盤非工作狀態(tài)

工作時，為減少傷秧率、增加除草面積，要求秧苗一側(cè)除草盤的除草軌跡在另一側(cè)除草盤除草軌跡中間(見圖10)，需要除草盤對稱安裝和確定除草盤L′的距離。由分析可知：L′為s/2的整數(shù)倍。根據(jù)前期室內(nèi)實驗，機具前進速度v值為0.53m/s，除草盤轉(zhuǎn)速n為230r/min，除草盤中心距L值為160mm。由下面公式可以計算出彈齒在地面劃過軌跡的距s，s約為27.5mm，取L′值為65mm。插秧后第7天為第1次除草，秧苗根深3540mm，草根深1525mm，取除草盤據(jù)地面的距離h1為90mm，除草深度h′為25mm，彈齒痕跡末端與秧苗的距離s′由下面公式計算為27mm，圖10中的陰影部分為除草盤除草面積；插秧后第14天，進行第2次除草作業(yè)，取h1為80mm，則h′為25mm，s′為35mm；插秧后第21天，進行第3次除草作業(yè)，取h1為70mm，則h′為45mm，s′為41mm。

式中 s—彈齒在地面劃過軌跡的距離(mm)；

v—機具前進速度(m/s)；

n—除草盤的轉(zhuǎn)速(r/min)；

z—彈齒的個數(shù)(個)。

式中 s'—彈齒軌跡末端與秧苗的距離(mm)；

D—除草盤的直徑(mm)；

h1—除草盤中心距地面的距離(mm)；

L—兩除草盤的中心距(mm)。

理論分析作圖得到除草軌跡簡圖如圖10所示。

圖10 一對除草盤除草軌跡簡圖

試驗得到除草盤單體除草實際軌跡，如圖11所示。

(a) 除草盤單體土槽試驗除草軌跡

(b) 除草盤單體田間試驗除草軌跡

通過除草軌跡試驗分析可知：機具前進速度v和成對使用的兩除草盤的中心距L及除草盤轉(zhuǎn)速n的變化，都會引起除草軌跡的改變。機械前進速度v增大，則除草彈齒在同單位面積內(nèi)滑過地面的次數(shù)減少，相鄰兩條除草軌跡距離變大，有效除草面積減少，除草率也隨著降低。兩除草盤的中心距L增大，成對彈齒對共同作用的株間除草重疊區(qū)域面積減少，則株間除草率降低，兩除草盤的中心距L過大則完成不了株間雜草的去除工作。除草盤轉(zhuǎn)速n增加，除草盤彈齒在單位時間內(nèi)滑過地面的次數(shù)增加，相鄰兩條除草軌跡距離變小，有效除草面積增加，除草率也隨著增高。因此，要得到較好的株間除草效果，必須結(jié)合田間實際情況，合理控制這3個參數(shù)的大小，以求提高除草效率。

5 結(jié)論

1)對所設(shè)計的稻田株間除草盤的結(jié)構(gòu)特點進行了分析，并對其優(yōu)點進行了說明。研究設(shè)計了一種新型的株間除草盤，并以其作為研究對象。

2)給出了除草盤的除草機理及除草時機，對除草盤的除草機理進行了詳細論述，并結(jié)合秧苗、雜草的生長特性和田間環(huán)境特點對除草盤的除草時機進行的確定。

3)通過理論分析和試驗驗證，得到了除草盤的除草面積計算模型及除草過程中的除草軌跡圖，對除草盤在室內(nèi)土槽環(huán)境下和田間泥土中的除草軌跡進行驗證分析，通過除草軌跡的研究可直接指導(dǎo)除草盤的使用與推廣，為稻田機械除草整機的研制提供了技術(shù)參考。

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Paddy Strains between Weeding Member Working Mechanism and Weeding Track Test

Niu Chunliang1, Wang Jinwu2

(1.Mechanical and Power Engineering College，Dalian Oceang University,Dalian 116023, China；2.Engineering College，Northeast Agricultural University，Harbin 150030, China)

Paddy weeds have a significant impact on the seedling growth, especially rice paddies barnyard grass, barnyard grass and seedling growth of serious competition for resources, and for the main species of weeds. Between paddy row weed removal machinery is more mature, and close to the seedling plants among the weeds near the removal technique has become the focus of the study. In this paper, barnyard grass seedlings and early growth stage different characteristics, the design of an inter-strain Mower, the member is removed barnyard grass as the main target into account other weeds, and to study its mechanism and weeding trajectory. The member rotating work, driven by the auxiliary power forward, the Mower deep soil during rotation, the weeds, singled out or knock down, so that the roots of floating on the water or dirt will stir weed cover, thus completing the paddy strains between weeding job.

between strains component; weeding mechanism; paddy; weeding track

2015-12-15

遼寧省自然科學(xué)基金項目(2015020134)；遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項目(L2014274)；黑龍江省科技廳重大攻關(guān)項目(GB07B106)

牛春亮(1983-)，男，黑龍江牡丹江人，講師，(E-mail)clniu@qq.com。

S224.1;S220.3

A

1003-188X(2017)01-0177-05